WO2021165048A1 - Verfahren zum betrieb eines heizkatalysators und heizkatalysatorsteuersystem - Google Patents

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WO2021165048A1
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Rainer Knorr
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Vitesco Technologies GmbH
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a heated catalytic converter and its use in a heated catalytic converter control system.
  • the reduction of emissions from internal combustion vehicles is becoming increasingly important due to environmental requirements. Currently, these emissions are to be minimized as soon as the cold internal combustion engine is started.
  • electrically heatable catalytic converters eCAT
  • vehicles especially motor vehicles with internal combustion engines, can be significantly improved with regard to their emissions, since the catalytic converter can be brought to its operating temperature at the start or before the start of the internal combustion engine.
  • PWM pulse width modulation or Pulse Width Modulation
  • the PWM control typically works with frequencies of 0-10 Hz.
  • power can only be provided from an on-board network with voltages above 36V, such as the 48 V on-board network.
  • the electrical heating of the catalyst system takes place very quickly.
  • the catalyst should be operated above 300 ° C but not overheated either - an electr.
  • Power regulation for example by means of a PWM regulation, can be provided.
  • Power control via a direct current converter (DC / DC) is also conceivable, but very cost-intensive.
  • the eCAT is supplied by an electrical machine such as a (belt) starter generator (BSG) and a battery, usually a lithium battery.
  • BSG belt starter generator
  • the starter generator or BSG provides the mean, required total electr. Power of the vehicle is available, even when the eCAT is switched on.
  • the starter generator or BSG may not be able to follow the performance requirements of the eCAT, since PWM operation always means switching on and off the maximum heating output of the eCAT.
  • the average heating power can only be influenced via PWM operation. In this case, the battery is also loaded or constantly charged and discharged.
  • the eCAT If the eCAT is at operating temperature, it is usually kept at that temperature by the hot exhaust gas from the internal combustion engine. However, there are also operating modes where this is no longer sufficient. "Engine OFF Coasting" or “Start / Stop” should be mentioned here. In these cases, the eCAT must be kept at the same temperature in order not to fall below the so-called “Light OFF" temperature. However, these are operating states in which not the entire electrical. Heating power of the eCAT is required and power control is therefore sought. Last but not least, this must also be done for reasons of efficiency.
  • the average electrical heating output of the eCAT is throttled using PWM.
  • PWM pulse width modulation
  • the PWM control can therefore have a negative effect on the battery, as this leads to an increased energy throughput and thus to increased aging.
  • the entire power for the eCAT should come directly from the starter generator or BSG, without intermediate buffering in the battery. This is not possible because the starter generator or BSG, in conjunction with the combustion engine, is too slow for the current rate of increase in the eCAT.
  • the heating of the eCAT consists of a heating resistor which, when switched on, causes a current to flow without noticeable delay.
  • the object of the invention is therefore to provide a method for controlling or operating an electrically heatable catalytic converter which minimizes the above negative effects and represents improved operation in the on-board network of a motor vehicle. It is also an object of the invention to provide an electrically heatable catalyst which can carry out such a method. It is also an object of the invention to provide a vehicle with such a catalytic converter.
  • the method according to the invention is based on the knowledge that the starter generator, for example a belt starter generator BSG, works together with the engine controller and the eCAT.
  • the motor control requires an increased mean electrical output power in the form of a PWM control or in Form of a PWM process with, for example, 5 Hz.
  • the starter generator such as the BSG, will follow the PWM process and provide the increased average output power.
  • the eCAT is "armed" by the engine control and waits for a positive voltage jump in the on-board network supply voltage, which is caused by an increase in the electrical output from the engine control. For this purpose, the eCAT monitors the on-board network supply voltage that is set due to the increase in output power. If the vehicle electrical system supply voltage rises above an upper threshold value, the eCAT will counteract the increase in the vehicle electrical system supply voltage or any resulting voltage jump by switching on. Power is drawn when the eCAT is switched on. If the
  • On-board supply voltage falls below a lower threshold value (which is, for example, the result of the eCAT being switched on and drawing power)
  • the eCAT then switches itself off again briefly.
  • the eCAT remains switched on as long as the on-board power supply voltage is above the upper threshold value and the on-board power supply voltage does not fall below the lower threshold value.
  • a balanced, average on-board supply voltage is automatically achieved. This results in improved operation in the on-board network of a vehicle, since, for example, voltage peaks in the on-board network supply voltage can be minimized.
  • the deactivated eCAT (the controller of the eCAT remains active) continues to monitor the on-board network supply voltage that is being set.
  • the eCAT switches on again. This triggered switching on and off of the eCAT preferably takes place at a higher frequency than the frequency of the requested PWM control by the motor control.
  • the triggered switching on and off of the starter generator takes place until the increased output power is covered by the eCAT.
  • the subordinate PWM operation of the eCAT is ended by the eCAT remaining switched on until the first pulse of the PWM of the starter generator or BSG is withdrawn again.
  • the eCAT system waits until the voltage falls below a certain voltage threshold and switches itself off. As a result, the voltage will rise again until the voltage again rises above a certain threshold value. Then the eCAT lights up again. This continues until the power from the starter generator or BSG has been completely reduced.
  • the eCAT now waits for the next PWM pulse from the starter generator or BSG.
  • the entire process continues until the higher-level PWM is withdrawn by the motor control.
  • the average heating power of the eCAT is set by the motor control and not by the controller of the eCAT. It only follows the higher-level PMW of the engine control, so to speak. The interaction can take place so precisely that the voltage in the vehicle electrical system remains constant or relatively constant.
  • the eCAT heater is also used to stabilize the vehicle electrical system voltage. This can also be used, in particular, when a load is to be switched off and another load to be switched on. Latency times in the CAN connection of the loads can cause unwanted power peaks or excess power. The latency period could now be bridged by the short-term PWM operation of the eCAT heating until the actual load has started operating and the starter generator or BSG provides the additional electr. Provides performance.
  • the impedance of the on-board network of a vehicle is included. In order to reduce the increase in current of the electrically heated eCAT, the inductance of the on-board network can also be used.
  • Figure 1 shows a system structure for an eCAT temperature control
  • FIG. 5 shows some aspects of an inventive device
  • FIG. 1 shows an arrangement of the heatable catalytic converter (eCAT) in a two-voltage electrical system.
  • the eCAT is hooked into a 48 V network 120, although other voltages can also be used.
  • the eCAT is powered by an electrical machine, such as a starter generator 121 and a battery 124, usually a lithium battery.
  • the starter generator can be a 48 volt belt starter generator (BSG), which is why the designation BSG is also chosen.
  • the 48 V on-board network or higher low-voltage network 120 is coupled to a 12 V network 130 via a DC-DC converter 100.
  • Further loads 136, 137 can be found in the 12 V network 130, as well as a further battery or a further storage device 134.
  • the starter generator or BSG Normally, the starter generator or BSG provides the average required power, even when the eCAT is switched on. However, in PWM operation with temperature control, it can happen that the starter generator or BSG cannot follow the eCAT's performance requirements. In this case, the battery 124 is also charged. When switching off the starter generator or BSG Since there is a positive load jump, the battery is charged and energy is temporarily stored.
  • FIG. 2 illustrates the functionality of an eCAT with PWM control.
  • the power or the current at the eCAT 220 runs in the opposite direction to the current from the memory or the battery 210.
  • Power regulation via a direct current converter (DC / DC) is also conceivable, but very cost-intensive.
  • a PWM control is therefore sought as a cost-effective embodiment.
  • the PWM control is significantly cheaper than the supply solution with a DC / DC converter.
  • the PWM control in one version works with frequencies of 0 - 10 Hz.
  • FIG. 3 shows the switch-on and switch-off behavior of the starter generator or BSG and eCAT in the PWM method. Due to internal combustion engine requirements, the power on the eCAT 320 changes, and thus the voltage 325 in the 48 V network 120. The output power or power 310 provided at the starter generator or BSG also changes because the starter generator or BSG is always trying to provide the required performance. However, the voltage at the starter generator or BSG 315 fluctuates. The increase in the power requirement with the eCAT 321 is significantly steeper than the increase in the power provided by the starter generator or BSG 311. The decrease in the power requirement with the eCAT is also significantly steeper than the decrease in the power provided by the starter generator or BSG. In this example, the difference in power is to be compensated for by a storage device or a battery. Particularly for a lithium battery, this behavior with short-term loading and unloading can lead to premature aging and undesired failures.
  • FIG. 4 illustrates an embodiment of the method according to the invention.
  • the eCAT monitors the vehicle electrical system supply voltage 415. After the eCAT the voltage drops. The eCAT switches itself off again as soon as the voltage falls below the lower threshold value. DereCAT continues to monitor the vehicle electrical system supply voltage, which is now increasing. As soon as the voltage reaches the upper threshold value, the eCAT switches on again.
  • the power requirement of the eCAT 420 is switched on and off according to the PWM method, and the starter generator or BSG supplies power or current 410. Since the increase in eCAT demand increases 421 faster than the starter generator or BSG its output can increase 411, the eCAT switches itself on and off with a fast PWM. The output of the eCAT also drops faster than the starter generator or BSG can reduce its output 412. The eCAT switches on and off accordingly with a fast PWM.
  • the eCAT is supplied by a starter generator or BSG, with the starter generator or BSG being switched on and off using a slow PWM process and the eCAT being switched on and off using a fast PWM process.
  • the PWM method for the eCAT can switch at least 10 times as fast or at least 100 times as fast or at least 1000 times as fast as the PWM method for the starter generator or BSG.
  • the PWM method for the eCAT has a constant frequency in one version, since a constant frequency can be easier to calculate and switch.
  • a longer switch-on phase could be used at the beginning of switch-on than at the end of switch-on.
  • the eCAT's PWM power can always remain constant, as it depends on the physical parameters of the eCAT itself and the inductance of the connected vehicle electrical system and can therefore be set independently.
  • FIG. 5 shows various actors and states of the inventive system.
  • the internal combustion engine ECU electronic control unit
  • the internal combustion engine ECU signals the eCAT-ECU or Supply monitoring unit 530 a need for electrical heating of the eCAT, that is, an activation signal.
  • the supply monitoring unit 530 changes the eCAT between the heating off 540 and heating on 550 states, depending on whether the supply voltage is above or below the respective limit value or threshold value.
  • the inventive method is particularly relevant when the internal combustion engine does not need the full eCAT power and therefore requires a PWM from the starter generator or BSG, for example with a 50/50 operating ratio on and off.
  • the starter generator or BSG can then be switched on and off with a slow PWM process in order to achieve the desired eCAT performance and is switched on and off with a fast PWM process on the eCAT in order to regulate the supply voltage level. This means that no or only a minimum of electrical power is temporarily stored.
  • the inductance from the electrical system can also help smooth out voltage variations. With the fast PWM, enough current can be stored in the existing on-board inductance in order to smooth out voltage variations. This allows the 48 V or a higher low-voltage network 120 to be kept stable. The inductance of the on-board network must be taken into account accordingly, or the time delay that results from switching the eCAT on and off, or the calculation of the switch-on or switch-off times.
  • FIG. 6 illustrates the method for controlling an electrically heatable catalytic converter, the eCAT monitoring the supply voltage.
  • the internal combustion engine requests a PWM of 10 Hz from the starter generator or BSG.
  • the starter generator or BSG starts with the PWM at the required frequency and power.
  • the eCAT is switched on with a suitable voltage increase. After switching on, the eCAT switches off briefly if the voltage falls below a threshold.
  • Step 640 shows how the voltage is monitored. If the voltage is sufficient (640, N), the eCAT remains in operation; if the voltage is insufficient, the eCAT is switched off (step 650).
  • the electrically heatable catalytic converter (eCAT) is controlled in that the eCAT monitors the supply voltage and switches itself off again briefly after switching on if the voltage falls below a lower threshold value.
  • the eCAT continues to monitor the supply voltage in step 660. As long as the voltage remains below the lower threshold value (660, N), the eCAT remains switched off. The eCAT continues to monitor the supply voltage and switches itself on again briefly when the supply voltage rises above an upper threshold value. As soon as the supply voltage is above the upper threshold value again, the eCAT is switched on again (step 670).
  • a suitable eCAT (PWM) control can energetically phase high current loads in the vehicle electrical system on and off without major voltage drops.
  • the charging voltage of the battery for example a lithium-ion battery
  • the charging voltage of the battery can also be kept at a safe level using the eCAT's PWM control; this can be of particular interest in the event of a “load dump” or a sudden voltage spike in a vehicle alternator after a load has been shed.
  • Lithium-ion batteries can be damaged by overvoltage. Even an overvoltage of e.g. 50 mV compared to the end-of-charge voltage of 4.1 V to 4.3 V per cell, depending on the product, can be critical.
  • the PWM control of the eCAT can be used to smooth the voltage spike by switching it on quickly or by increasing the duty cycle.
  • the eCAT's PWM control can also be used as an on-board network protection device against overvoltages.
  • the brief switching on or off is carried out as a PWM method.
  • the power is thus regulated by PWM, but other power regulation methods are also known to the person skilled in the art.
  • the loop with steps 640, 650, 660, 670 is followed until the eCAT is no longer required or the internal combustion engine does not request any further PWM from the starter generator or BSG.

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Abstract

Verfahren zum Steuern eines elektrisch heizbaren Katalysators (eCAT), der von einem Starter-Generator mit einer zum Starter-Generator gehörenden Abgabeleistung versorgt wird, wobei die Abgabeleistung des Starter-Generators mittels eines PWM-Verfahrens erhöht wird, wobei der eCAT eine sich aufgrund der Erhöhung der Abgabeleistung einstellende Bordnetz-Versorgungsspannung (415) überwacht, der eCAT eingeschaltet wird, wenn die Bordnetz-Versorgungsspannung (415) einen oberen Schwellenwert übersteigt, und der eCAT ausgeschaltet wird, wenn die Bordnetz-Versorgungsspannung (415) einen unteren Schwellenwert unterschreitet.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Betrieb eines Heizkatalysators und Heizkatalysatorsteuersystem
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Heizkatalysators und seiner Anwendung in einem Heizkatalysatorsteuersystem. Die Emissionsreduzierung von Verbrennungskraftfahrzeugen wird aus Umweltanforderungen immer wichtiger. Aktuell sollen diese Emissionen bereits direkt nach dem Start des kalten Verbrennungsmotors minimiert werden. Um dies zu erreichen werden elektrisch heizbare Katalysatoren (eCAT) eingesetzt. Hiermit können Fahrzeuge insb. KFZ mit Verbrennungsmotoren bzgl. ihrer Emissionen deutlich verbessert werden, da der Katalysator bereits zum Start, bzw. vor dem Start, des Verbrennungsmotors auf seine Betriebstemperatur gebracht werden kann.
PWM (Puls-Weiten Modulierung oder Pulse Width Modulation) ist ein häufig-verwendetes Verfahren zur elektrischen Reglung von Verbrauchern, insbesondere bei einem kleinen aber auch großen Leistungsverbrauch, wie bei einem elektrisch heizbaren Katalysator. Deren elektrischer Leistungsbedarf kann 4 kW und mehr betragen. Die PWM-Regelung ist gegenüber der Versorgungslösung mit DC/DC deutlich kostengünstiger.
Die PWM-Regelung arbeitet in so einer Konfiguration typischerweise mit Frequenzen von 0- 10 Hz. Üblicherweise können solche Leistungen nur aus einem Bordnetz mit Spannungen über 36V, wie z.B. dem 48 V Bordnetz, bereitgestellt werden. Die elektrische Aufheizung des Katalysatorsystems erfolgt dabei sehr schnell. Um eine Temperaturregelung zu erzielen - der Katalysator sollte über 300 °C betrieben aber auch nicht überhitzt werden - kann eine elektr. Leistungs-Regelung z.B. durch eine PWM-Regelung, vorgesehen sein. Eine Leistungsregelung über einen Gleichstromwandler (DC/DC) ist ebenfalls denkbar jedoch sehr kostenintensiv. In einer Anordnung wird der eCAT von einer elektrischen Maschine, wie z.B. einem (Belt-)Starter-Generator (BSG) und einer Batterie, üblicherweise einer Lithiumbatterie, versorgt.
Im Normalfall stellt der Starter-Generator bzw. BSG die mittlere, benötigte gesamte elektr. Leistung des Fahrzeuges zur Verfügung, auch wenn der eCAT eingeschalten ist. Jedoch beim PWM-Betrieb mit Temperaturregelung kann der Starter-Generator bzw. BSG der Leistungsanforderung des eCATs unter Umständen nicht folgen, da ein PWM Betrieb immer ein Einschalten und Ausschalten der max. Heizleistung des eCATs bedeutet. Die mittlere Heizleistung kann ja nur über den PWM-Betrieb beeinflusst werden. In diesem Fall wird die Batterie mit belastet bzw. ständig be- und entladen.
Beim Ausschalten des Starter-Generators bzw. BSG wird, da es zum positiven Lastsprung kommt, die Batterie geladen und somit Energie zwischengespeichert.
Ist der eCAT auf Betriebstemperatur wird dieser üblicherweise von dem heißen Abgas des Verbrennungsmotors auf Temperatur gehalten. Allerdings gib es auch Betriebsmodi, wo dies nicht mehr genügt. Hier seien „Engine OFF Coasting“ oder „Start/Stop“ erwähnt. In diesen Fällen muss der eCAT auf Temperatur gehalten werden, um nicht unter die so genannte „Light OFF“-Temperatur zu fallen. Dies sind allerdings Betriebszustände, in denen nicht die gesamte elektr. Heizleistung des eCATs benötigt wird und daher eine Leistungsregelung angestrebt wird. Dies muss nicht zuletzt auch aus Effizienzgründen geschehen.
Um eine Überhitzung des eCATs zu vermeiden wird die mittlere elektrische Heizleistung des eCATs anhand von PWM gedrosselt. Jedoch wird Energie in und aus der Batterie transferiert, da der Starter-Generator bzw. BSG der Leistungsanforderung des eCAT im Allgemeinen nicht so schnell folgen kann. Dieser Betriebsmodus bedeutet für die Batterie eine zusätzliche Alterung, die negative Folgen haben kann. Die zusätzliche Alterung der Batterie durch die PWM Regelung ist ein unerwünschter Zustand. Bei PWM-Regelung steigt der Strom sehr schnell an und der Starter-Generator bzw. BSG kann diesem Strom nicht folgen. Es können sehr hohe Leistungsschwankungen entstehen, die auch zu Überspannungen an der Batterie führen können, insbesondere bei tiefen Temperaturen, z.B. unter 0°C.
Die PWM-Regelung kann sich deshalb negativ auf die Batterie auswirken, da dies zu einem erhöhten Energiedurchsatz und somit zu einer erhöhten Alterung führt. Idealweise sollte die gesamte Leistung für den eCAT aus dem Starter-Generator bzw. BSG direkt kommen, ohne Zwischenpufferung in der Batterie. Dies ist nicht möglich, da der Starter-Generator bzw. BSG, im Zusammenspiel mit dem Verbrennungsmotor, für die Stromanstiegsgeschwindigkeit des eCATs zu langsam ist.
Die Heizung des eCATs besteht aus einem Heizwiderstand der beim Einschalten, ohne merkliche Verzögerung, einen Stromfluss zur Folge hat.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum Steuern bzw. Betreiben eines elektrisch heizbaren Katalysators bereitzustellen, der obige negative Auswirkungen minimiert und einen verbesserten Betrieb im Bordnetz eines Kraftfahrzeugs darstellt. Ebenso ist es eine Aufgabe der Erfindung, einen elektrisch beheizbaren Katalysator bereitzustellen, der ein derartiges Verfahren durchführen kann. Ferner ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein Fahrzeug mit einem derartigen Katalysator bereitzustellen.
Diese Aufgaben werden durch ein Verfahren gemäß dem Patentanspruch 1 , einen elektrisch heizbaren Katalysator gemäß dem Patentanspruch 11 sowie durch ein Fahrzeug gemäß dem Patentanspruch 12 gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf der Erkenntnis, dass der Starter-Generator, beispielsweise ein Belt-Starter-Generator BSG, zusammen mit der Motorsteuerung und dem eCAT arbeitet. Die Motorsteuerung fordert eine erhöhte mittlere elektrische Abgabeleistung in Form einer PWM-Regelung bzw. in Form eines PWM-Verfahrens mit z.B. 5 Hz an. Der Starter-Generator, wie bspw. der BSG, wird dem PWM-Verfahren folgen und die erhöhte mittlere Abgabeleistung bereitstellen. Der eCAT ist von der Motorsteuerung „scharfgestellt“ und wartet auf einen positiven Spannungssprung in der Bordnetz-Versorgungsspannung, welcher durch eine Erhöhung der elektrischen Abgabeleistung von der Motorsteuerung hervorgerufen wird. Der eCAT überwacht hierzu die sich aufgrund der Erhöhung der Abgabeleistung einstellende Bordnetz-Versorgungsspannung. Steigt die Bordnetz-Versorgungsspannung über einen oberen Schwellenwert, dann wird der eCAT der Erhöhung der Bordnetz-Versorgungsspannung bzw. einem sich daraus ergebenden Spannungssprung entgegenwirken, indem er sich einschaltet. Durch Einschalten des eCATs wird Leistung gezogen. Wenn die
Bordnetz-Versorgungsspannung unterhalb eines unteren Schwellenwerts fällt (was bspw. die Folge des eingeschalteten und Leistung ziehenden eCATs ist), dann schaltet sich der eCAT kurzzeitig wieder aus. Der eCAT bleibt also so lange eingeschaltet, solange die Bordnetz-Versorgungsspannung oberhalb des oberen Schwellenwerts ist und die Bordnetz-Versorgungsspannung den unteren Schwellenwert nicht unterschreitet.
Durch das Überwachen der Bordnetz-Versorgungsspannung, die bspw. durch einen Controller des eCATs erfolgen kann, und durch das getriggerte Ein- und Ausschalten des eCATs wird automatisch eine sich ausgleichende, mittlere Bordnetz-Versorgungsspannung erreicht. Dadurch ergibt sich ein verbesserter Betrieb im Bordnetz eines Fahrzeugs, da bspw. Spannungsspitzen in der Bordnetz-Versorgungsspannung minimiert werden können.
Als Folge des Ausschaltens des eCATs wird die Bordnetz-Versorgungsspannung allerdings wieder steigen. Eine Weiterbildung der Erfindung sieht daher vor, dass der ausgeschaltete eCAT (der Controller des eCATs bleibt ja aktiv) weiterhin die sich einstellende Bordnetz-Versorgungsspannung überwacht. Wenn die Bordnetz-Versorgungsspannung dann wieder über den oberen Schwellenwert steigt, schaltet sich der eCAT wieder ein. Vorzugsweise erfolgt dieses getriggerte Ein- und Ausschalten des eCATs mit einer höheren Frequenz als die Frequenz der angeforderten PWM-Regelung durch die Motorsteuerung.
Das getriggerte Ein- und Ausschalten des Starter-Generators erfolgt so lange, bis die erhöhte Abgabeleistung durch den eCAT abgedeckt ist.
Der unterlagerte PWM-Betrieb des eCATs wird beendet, indem der eCAT eingeschaltet bleibt, bis der erste Puls der PWM des Starter-Generators bzw. BSG wieder zurückgenommen wird. In diesem Fall arbeitet die Regelung in umgekehrt Richtung. Die eCAT Fleizung wartet bis die Spannung unter einen gewissen Spannungsschwellwert fällt und schaltet sich ab. Dadurch wird die Spannung wieder steigen, bis die Spannung wieder über einen gewissen Schwellwert steigt. Dann schaltet sich die eCAT Fleizung wieder ein. Dies erfolgt solange bis die Leistung vom Starter-Generator bzw. BSG völlig zurückgenommen ist. Nun wartet der eCAT auf den nächsten Puls der PWM durch den Starter-Generator bzw. BSG. Der gesamte Ablauf erfolgt solange bis die übergeordnete PWM durch die Motorsteuerung zurückgenommen wird. Die mittlere Heizleistung des eCATs wird dadurch von der Motorsteuerung eingestellt und nicht durch den Controller des eCAT. Der folgt sozusagen nur der übergeordneten PMW der Motorsteuerung. Das Zusammenspiel kann so exakt erfolgen, dass die Spannung im Bordnetz konstant bzw. relativ konstant bleibt.
In einer weiteren Ausführungsform wird die eCAT Heizung auch zur Stabilisierung der Bordnetzspannung verwendet. Dies kann insbesondere auch dann Verwendung finden, wenn eine Last ab- und eine andere Last zugeschaltet werden soll. Durch Latenzzeiten in der CAN Verbindung der Lasten kann dies ungewollte Leistungsspitzen oder Leistungsüberschuss hervorrufen. Die Latenzzeit könnten nun durch den kurzzeitigen PWM Betrieb der eCAT Heizung überbrückt werden, bis die eigentliche Last ihren Betrieb aufgenommen hat und der Starter-Generator bzw. BSG die dafür notwendige zusätzliche elektr. Leistung bereitstellt. In einerweiteren Ausführung wird die Impedanz des Bordnetzes eines Fahrzeugs mit einbezogen. Um den Stromanstieg des elektrisch heizbaren eCATs zu reduzieren, kann die Induktivität des Bordnetzes mitbenutzt werden.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
• Figur 1 einen Systemaufbau für eine eCAT Temperaturreglung;
• Figur 2 den Leistungsverlauf bei PWM;
• Figur 3 eine einfache Regelung der Temperatur;
• Figur 4 ein Spannungsverlauf;
• Figur 5 einige Aspekte einer erfinderischen Vorrichtung; und
• Figur 6 den Steuerungsablauf.
Figur 1 zeigt eine Anordnung des heizbaren Katalysators (eCAT) in einem Zweispannungsbordnetz. Der eCAT ist in einem 48 V Netz 120 eingehängt, wobei durchaus auch andere Spannungen verwendet werden können.
In dieser Anordnung wird der eCAT von einer elektrischen Maschine, wie z.B. von einem Starter-Generator 121 und einer Batterie 124, üblicherweise einer Lithiumbatterie, versorgt. In einer Ausführungsform kann der Starter-Generator ein 48 Volt Riemenstarter-Generator (engl. Belt-Starter-Generator BSG) sein, weshalb auch die Bezeichnung BSG gewählt wird.
Vollständigkeitshalber wird das 48 V Bordnetz oder höhere Niederspannungsnetz 120 über einen Gleichspannungswandler DC-DC 100 an ein 12 V Netz 130 gekoppelt. Im 12 V Netz 130 sind weitere Lasten 136, 137 zu finden, sowie eine weitere Batterie oder ein weiterer Speicher 134.
Im Normalfall stellt der Starter-Generator bzw. BSG die mittlere, benötigte Leistung zur Verfügung, auch wenn der eCAT eingeschalten ist. Jedoch beim PWM Betrieb mit Temperaturregelung kann es Vorkommen, dass der Starter-Generator bzw. BSG der Leistungsanforderung des eCATs nicht folgen kann. In diesem Fall wird die Batterie 124 mit belastet. Beim Ausschalten des Starter-Generators bzw. BSG wird, da es zum positiven Lastsprung kommt, die Batterie geladen und somit Energie zwischengespeichert.
Figur 2 veranschaulicht die Funktionsweise eines eCATs mit PWM-Regelung. Die Leistung bzw. der Strom an dem eCAT 220 verläuft gegensätzlich zum Strom aus dem Speicher bzw. der Batterie 210. Eine Leistungsregelung über einen Gleichstromwandler (DC/DC) ist ebenfalls denkbar, jedoch sehr kostenintensiv. Eine PWM-Regelung wird daher angestrebt als kostengünstiges Ausführungsbeispiel. Die PWM-Regelung ist gegenüber der Versorgungslösung mit DC/DC-Wandler deutlich günstiger. Die PWM-Regelung in einer Ausführung arbeitet dabei mit Frequenzen von 0 - 10 Hz.
In Figur 3 wird das Ein- und Ausschaltverhalten vom Starter-Generator bzw. BSG und eCAT im PWM-Verfahren gezeigt. Durch Verbrennungsmotoranforderungen bedingt, wechselt die Leistung am eCAT 320, und dadurch die im 48 V Netz 120 stehende Spannung 325. Die am Starter-Generator bzw. BSG bereitgestellte Abgabeleistung bzw. Leistung 310 wechselt auch, da der Starter-Generator bzw. BSG immer versucht, die benötigte Leistung zur Verfügung zu stellen. Jedoch schwankt die Spannung am Starter-Generator bzw. BSG 315. Der Anstieg des Leistungsbedarfs beim eCAT 321 ist deutlich steiler als der Anstieg der zur Verfügung gestellten Leistung vom Starter-Generator bzw. BSG 311 . Ebenfalls ist der Abstieg des Leistungsbedarfs beim eCAT deutlich steiler als der Abstieg der zur Verfügung gestellten Leistung vom Starter-Generator bzw. BSG. Der Unterschied an Leistung ist dann in diesem Beispiel durch einen Speicher oder einer Batterie auszugleichen. Insbesondere für eine Lithiumbatterie kann dieses Verhalten mit kurzfristigem Be- und Entladen zu frühzeitiger Alterung und ungewünschten Ausfällen führen.
Wünschenswert ist, das Missverhältnis in Leistung möglichst gering zu halten. Dieses wird mit dem erfinderischen Verfahren gewährleistet.
Figur 4 veranschaulicht eine Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Der eCAT überwacht die Bordnetz-Versorgungsspannung 415. Nachdem der eCAT eingeschaltet wurde fällt die Spannung. Der eCAT schaltet sich wieder aus, sobald die Spannung unter den unteren Schwellenwert fällt. DereCAT überwacht weiterhin die Bordnetz-Versorgungsspannung, die nun steigt. Sobald die Spannung den obere Schwellenwert erreicht, schaltet sich der eCAT wieder ein. Die Leistungsbedarf vom eCAT 420 wird nach PWM-Verfahren zu- und weggeschaltet, und der Starter-Generator bzw. BSG liefert Leistung bzw. Strom 410. Da der Anstieg vom eCAT-Bedarf schneller ansteigt 421 als der Starter-Generator bzw. BSG seine Leistung steigern kann 411 , schaltet sich der eCAT ein und aus mit einer schnellen PWM. Ebenfalls fällt die Leistung des eCATs schneller als der Starter-Generator bzw. BSG seine Leistung zurückfahren kann 412. Entsprechend schaltet sich der eCAT ein und aus mit einer schnellen PWM.
So wird der eCAT z.B. von einem Starter-Generator bzw. BSG versorgt, wobei der Starter-Generator bzw. BSG mit einem langsamen PWM-Verfahren ein- und ausgeschaltet wird und der eCAT mit einem schnellen PWM-Verfahren ein- und ausgeschaltet wird. Zum Beispiel kann das PWM-Verfahren für den eCAT mindestens 10-mal so schnell oder mindestens 100-mal so schnell oder mindestens 1000-mal so schnell schalten wie das PWM-Verfahren für den Starter-Generator bzw. BSG. Das PWM-Verfahren für den eCAT hat in einer Ausführung eine konstante Frequenz, da eine konstante Frequenz leichter zu berechnen und zu schalten sein kann. Jedoch kann es von Interesse sein, eine Variable PWM-Frequenz für den Starter-Generator bzw. BSG zu verwenden, um die Leistungsverbrauch optimal abzustimmen bzw. das Missverhältnis in Leistung möglichst gering zu halten. Zum Beispiel könnte am Anfang des Einschaltens eine längere Einschaltphase verwendet werden als am Ende des Einschaltens. Die PWM-Leistung des eCATs kann immer konstant bleiben, da sich diese von den physikalischen Größen des eCATs selbst und der Induktivität des angeschlossenen Bordnetzes abhängt und sich dadurch selbständig einstellen kann.
Figur 5 zeigt verschiedene Akteure und Zustände des erfinderischen Systems. Die Verbrennungsmotor-ECU (Kontroll-Einheit, Electronic Control Unit) meldet ein Bedarf von 4 kW an der Starter-Generator bzw. BSG-ECU 510. Gleichzeitig signalisiert die Verbrennungsmotor-ECU der eCAT-ECU oder Versorgungsüberwachungseinheit 530 einen Bedarf für elektrische Heizung des eCATs, also ein Aktivierungssignal. Entsprechend wechselt die Versorgungsüberwachungseinheit 530 den eCAT zwischen den Zuständen Heizung Off 540 und Heizung On 550, je nachdem ob die Versorgungsspannung über oder unter dem jeweiligen Grenzwert bzw. Schwellenwert liegt.
Die erfinderische Methode ist besonders relevant, wenn der Verbrennungsmotor nicht die volle eCAT Leistung benötigt und deshalb eine PWM vom Starter-Generator bzw. BSG verlangt, zum Beispiel mit 50/50 Betriebsverhältnis jeweils ein- und ausgeschaltet. Der Starter-Generator bzw. BSG kann dann mit einem langsamen PWM-Verfahren ein- und ausgeschaltet werden, um die gewünschte eCAT-Leistung zu bringen und wird mit einem schnellen PWM-Verfahren am eCAT ein- und ausgeschaltet, um das Versorgungspannungsniveau zu regulieren. Hiermit wird kein oder nur ein Minimum von elektrischer Leistung zwischengespeichert.
Die Induktivität vom Bordnetz kann auch helfen, Spannungsvariationen zu glätten. Mit der schnellen PWM kann in der vorhandenen Bordnetzinduktivität genügend Strom speichert werden, um damit Spannungsvariationen zu glätten. Hierdurch kann das 48 V oder ein höheres Niedervoltnetz 120 stabil gehalten werden. Die Induktivität des Bordnetzes muss entsprechend mit einberechnet werden, beziehungsweise die zeitliche Verzögerung, die sich hierdurch ergibt, bei den Einschalten und Ausschalten des eCATs, bzw. die Berechnung der Einschalt- oder Ausschaltzeitpunkt.
Figur 6 veranschaulicht das Verfahren zum Steuern eines elektrisch heizbaren Katalysators, wobei der eCAT die Versorgungsspannung überwacht. In Schritt 610 wird von dem Verbrennungsmotor ein PWM ä 10 Hz vom Starter-Generator bzw. BSG verlangt. In Schritt 620 startet der Starter-Generator bzw. BSG mit dem PWM zu der geforderten Frequenz und Leistung. In Schritt 630 wird der eCAT eingeschaltet bei passender Spannungserhöhung. Nach dem Einschalten schaltet sich der eCAT kurzfristig aus, wenn die Spannung unter eine Unterschwelle fällt. Schritt 640 zeigt wie die Spannung überwacht wird. Bei ausreichender Spannung (640, N) bleibt der eCAT im Betrieb; bei unzureichender Spannung wird der eCAT ausgeschaltet (Schritt 650). In (650) wird der elektrisch heizbare Katalysator (eCAT) dadurch gesteuert, dass der eCAT die Versorgungsspannung überwacht, und sich nach dem Einschalten kurzfristig wieder ausschaltet, wenn die Spannung unter einen unteren Schwellenwert fällt. Der eCAT überwacht weiterhin die Versorgungsspannung in Schritt 660. Solange die Spannung unter dem unteren Schwellenwert bleibt (660, N), bleibt der eCAT ausgeschaltet. Der eCAT überwacht die Versorgungsspannung weiter und schaltet sich wieder kurzfristig ein, wenn die Versorgungsspannung über einen oberen Schwellenwert steigt. Sobald die Versorgungsspannung wieder über den oberen Schwellenwert liegt, wird der eCAT wieder eingeschaltet (Schritt 670).
Eine geeignete eCAT (PWM)-Regelung kann Hochstrom lasten im Bordnetz ohne große Spannungseinbrüche energetisch ein- und ausphasen. Ebenfalls kann die Ladespannung der Batterie (zum Beispiel eine Lithium-Ionen-Batterie) durch die PWM Regelung des eCATs auf einem ungefährlichen Niveau gehalten werden; dieses kann insb. im Fall eines „Load-Dump“, oder plötzlich entstehender Spannungsspitze an einer Kfz-Lichtmaschine nach Lastabwurf, von Interesse sein. Lithium-Ionen-Batterien können durch eine Überspannung beschädigt werden. Sogar eine Überspannung von z.B. 50 mV gegenüber die Ladeschlussspannung von produktabhängig 4,1 V bis 4,3 V pro Zelle kann kritisch sein.
Die PWM Regelung des eCATs kann dazu verwendet werden, die Spannungsspitze durch schnelles Einschalten oder durch eine erhöhte Einschaltdauer zu glätten. Auch sonst kann die PWM Regelung des eCATs als Bordnetz-Schutzeinrichtung gegen Überspannungen genutzt wird.
In diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird das kurzfristige Aus- oder Einschalten als PWM-Verfahren ausgeführt. Damit wird die Leistung durch PWM geregelt, aber andere Leistungsregelungsverfahren sind dem Fachmann auch bekannt. Die Schleife mit den Schritten 640, 650, 660, 670 wird so lange verfolgt, bis der eCAT nicht mehr benötigt wird, oder der Verbrennungsmotor keine weitere PWM vom Starter-Generator bzw. BSG verlangt.

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zum Steuern eines elektrisch heizbaren Katalysators (eCAT), der von einem Starter-Generator mit einer zum Starter-Generator gehörenden elektrischen Abgabeleistung versorgt wird, wobei die Abgabeleistung des Starter-Generators mittels eines PWM-Verfahrens erhöht wird, wobei der eCAT eine sich aufgrund der Erhöhung der Abgabeleistung einstellende Bordnetz-Versorgungsspannung (415) überwacht, der eCAT eingeschaltet wird, wenn die Bordnetz-Versorgungsspannung (415) einen oberen Schwellenwert übersteigt, und der eCAT ausgeschaltet wird, wenn die Bordnetz-Versorgungsspannung (415) einen unteren Schwellenwert unterschreitet.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei der eCAT im ausgeschalteten Zustand die Bordnetz-Versorgungsspannung (415) weiterhin überwacht, und der eCAT wieder eingeschaltet wird, wenn die Bordnetz-Versorgungsspannung (415) den oberen Schwellenwert übersteigt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Ein- und/oder Ausschalten des eCATs als PWM-Verfahren geführt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei das PWM-Verfahren für den Starter-Generator langsamer ist, als das PWM-Verfahren zum Ein- und/oder Ausschalten des eCATs.
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei das PWM-Verfahren zum Ein- und/oder Ausschalten des eCATs mindestens 10-mal, vorzugsweise mindestens 100-mal, weiter vorzugsweise mindestens 1000-mal schneller ist als das PWM-Verfahren für den Starter-Generator.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei das PWM-Verfahren für den eCAT eine konstante Frequenz aufweist.
7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Induktivität des Bordnetzes bei dem Einschalten und Ausschalten des eCATs mit einberechnet wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7, wobei das PWM-Verfahren zum Ein- und/oder Ausschalten des eCATs geeignet und bestimmt ist, Hochstrom lasten im Bordnetz ohne große Spannungseinbrüche energetisch ein- und auszuphasen.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 8, wobei die Ladespannung einer Batterie (124) durch das PWM-Verfahren zum Ein- und/oder Ausschalten des eCATs auf einem ungefährlichen Niveau gehalten wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 9, wobei das PWM-Verfahren zum Ein- und/oder Ausschalten des eCATs als Bordnetz-Schutzeinrichtung gegen Überspannungen verwendet wird.
11. Ein elektrisch heizbarer Katalysator (eCAT), der von einem Starter-Generator mit einer zum Starter-Generator gehörenden elektrischen Abgabeleistung versorgt wird, wobei der eCAT eine Versorgungsüberwachungseinheit (530) aufweist, die eine sich einstellende Bordnetz-Versorgungsspannung (415) für den eCAT überwacht und dazu ausgebildet ist, ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchzuführen.
12. Ein Fahrzeug mit einem elektrisch heizbaren Katalysator (eCAT) nach Anspruch 11.
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